某電動汽車熱管理系統熱泵空調控制策略研究

張歡歡

某電動汽車熱管理系統熱泵空調控制策略研究

張歡歡

（安徽江淮汽車集團股份有限公司 新能源乘用車公司 新能源汽車研究院，安徽 合肥 230000）

文章基于公司某款純電動汽車，分析了熱泵空調系統的工作原理及其在整車熱管理系統中的作用、工作模式、控制系統架構，詳細說明了以熱泵空調為中心的車內制冷、電池制冷、車內和電池同時制冷、車內制熱、遠程遙控空調等主要工作過程及熱泵空調控制策略。

電動汽車；熱管理系統；熱泵空調系統；控制策略

引言

目前，多數純電動車汽車均配置有整車熱管理系統，主要功能包括車內熱管理、電池熱管理、電驅動和附件熱管理等，通過熱管理系統的控制，使車內、電池、電驅動及附件快速達成溫度調節，保證在各種外界氣候和條件下，均處于較為適宜的溫度范圍。其中，整車熱管理系統設計時，電驅動和附件熱管理冷卻系統媒介是冷卻液，結構基本獨立；車內熱管理和電池熱管理則由空調系統耦合實現，冷卻介質為R134a冷媒。車內熱管理主要包括車內制冷、車內制熱、遠程遙控空調。電池熱管理與空調系統耦合度最強的是電池制冷，電池制熱一般通過電池加熱器獨立實現，與空調系統基本不耦合。車內熱管理和電池制冷均需要快速調節，其中車內制冷還對低噪、舒適性有較高的體驗需求，電池制冷則對安全有較高要求。因此，研究電動車空調系統在熱管理工作過程中的控制策略成為業內重要命題[1]。

1 熱泵空調系統工作原理

熱泵空調系統制冷原理，如圖1所示。電動空調壓縮機將高溫低壓的氣態冷媒A，壓縮為高溫高壓的液態冷媒B；通過車外換熱器冷凝后，成為低溫高壓的液態冷媒C；再通過電子膨脹閥，成為低溫低壓的氣態冷媒D；通過車內蒸發器，與車內氣體熱交換，車內空氣溫度降低，冷媒溫度升高，成為高溫低壓的氣態冷媒A，進入下一輪制冷循環[2-3]。如此往復，實現車內熱量交換至車外，車內制冷的效果。

圖1 熱泵空調系統制冷工作原理

熱泵空調系統制熱原理，如圖2所示。電動空調壓縮機將高溫低壓的氣態冷媒A，壓縮為高溫高壓的液態冷媒B；通過車內換熱器冷凝，與車內空氣熱交換，車內空氣溫度上升，冷媒溫度下降，成為低溫高壓的液態冷媒C；再通過電子膨脹閥，成為低溫低壓的氣態冷媒D；通過車外換熱器，與車外氣體熱交換，車外空氣溫度降低，冷媒溫度升高，成為高溫低壓的氣態冷媒A，進入下一輪制冷循環[2-3]。如此往復，實現車外熱量交換至車內，車內制熱的效果。

圖2 熱泵空調系統制熱工作原理

此類熱泵空調系統，制冷過程，車外換熱器起冷凝作用，車內蒸發器起蒸發作用，車內換熱器不參與工作，僅起冷媒通道的作用。制熱過程，車外換熱器起蒸發作用，車內換熱器起冷凝作用，車內蒸發器不參與工作，僅起冷媒通道的作用。

2 某電動汽車熱泵空調系統工作模式分析

本文研究的某電動汽車，其整車熱管理系統以上述熱泵空調系統為核心。系統結構見圖3所示。

圖3 本文研究的某電動車熱泵空調系統結構

本文研究的某電動汽車，電池系統為液冷系統，其冷卻液也需空調給予制冷。該車輛的熱泵空調系統總體分為車外、車內和電池系統三個區域。主要有車內制冷、電池制冷、車內制熱三種工作模式。與熱泵系統控制相關的主要部件包括電動空調壓縮機、電子膨脹閥、電磁閥、傳感器、輔助PTC、電子水泵等。

結合三種工作模式及圖中相關部件作用，具體介紹系統工作過程如下：

車內制冷，如圖4所示。電動空調壓縮機將高溫低壓的氣態冷媒，壓縮為高溫高壓的液態冷媒；經過制冷模式下僅起冷媒通道作用的車內換熱器和常開的電磁閥2，至車外換熱器冷凝，成為低溫高壓的液態冷媒；再通過常開的電子膨脹閥3及制冷節流短管降壓，成為低溫低壓的氣態冷媒；通過車內蒸發器，與車內氣體熱交換，車內空氣溫度降低，冷媒溫度升高，成為高溫低壓的冷媒，此時的冷媒因未完全蒸發至理想狀態的純氣態，通常還殘存有液態，因此接下來進入氣液分離器，液態冷媒儲存在氣液分離器內，高溫低壓的氣態冷媒進入壓縮機，開啟下一輪制冷循環。

圖4 本文研究的某電動車熱泵空調系統車內制冷過程

電池制冷，如圖5所示。電池制冷原理與車內制冷基本相似，低溫高壓的液態冷媒直接通過電池系統電子膨脹閥，成為低溫低壓氣態為主的冷媒，通過電池換熱器與電池系統熱交換，電池系統溫度下降，冷媒溫度上升，再通過氣液分離器后進入壓縮機。

圖5 本文研究的某電動車熱泵空調系統電池制冷過程

圖6 本文研究的某電動車熱泵空調系統車內和電池同時制冷過程

車內和電池同時制冷，如圖6，該模式是車內制冷模式和電池制冷模式的集成。

車內制熱，如圖7。電動空調壓縮機將高溫低壓的氣態冷媒，壓縮為高溫高壓的液態冷媒；經過車內換熱器，與車內空氣熱交換，車內空氣溫度上升，冷媒溫度降低，成為低溫高壓的液態冷媒；再通過制熱節流短管降壓，成為低溫低壓的氣態冷媒；通過車外換熱器，吸收車外空氣熱量，冷媒溫度升高，成為高溫低壓的冷媒；接下來進入氣液分離器，液態冷媒儲存在氣液分離器內，高溫低壓的氣態冷媒進入壓縮機，開啟下一輪制熱循環。如環境溫度低于?10 ℃，還需要輔助PTC加熱。

圖7 本文研究的某電動車熱泵空調系統車內制熱過程

3 某電動汽車熱泵空調系統控制策略

3.1 控制原理

以本公司開發的某純電動車為例，無論是哪種整車熱管理工作模式，其熱泵空調系統的控制對象主要包括電動空調壓縮機、電子膨脹閥、電磁閥1、電磁閥2、電磁閥3、輔助PTC等，控制輸入主要包括空調模式開關信號、電動空調壓縮機轉速信號、各類傳感器信號及車速、整車控制器請求等，熱泵控制器是實施控制功能的核心部件，如圖8所示。

圖8 本文研究的熱泵空調系統控制原理框圖

除上述四種工作模式的控制外，熱泵空調系統控制還涉及手機遠程遙控空調控制。熱泵系統控制不僅要實現上述工作模式的功能，還要從低噪、舒適、充電時或行駛時車內制冷與電池制冷性能平衡等維度，綜合考慮控制策略。

3.2 車內制冷控制策略

（1）熱泵控制器接收空調模式開關制冷需求信號后，向電動空調壓縮機反饋制冷請求。

（2）電磁閥1關閉，電磁閥2、電磁閥3打開，電子膨脹閥開度為0，即處于關閉狀態。

（3）根據TD值計算電動空調壓縮機轉速。車速≤20 km/h，電動空調壓縮機最高轉速為3 600 rpm，最低轉速為1 200 rpm，TD值與電動空調壓縮機轉速對應關系見表1；車速＞20 km/h，電動空調壓縮機最高轉速為4 500 rpm，最低轉速為1 200 rpm，TD值與電動空調壓縮機轉速對應關系見表2。

表1 TD值與電動空調壓縮機轉速對應關系（車速≤20 km/h）

TD值電動空調壓縮機轉速/rpm 103 600 203 250 302 800 502 300 772 000 901 800 1091 500 1201 200 136關閉

表2 TD值與電動空調壓縮機轉速對應關系（車速＞20 km/h）

TD值電動空調壓縮機轉速/rpm 104 500 203 250 302 800 502 300 772 000 901 800 1091 500 1201 200 136關閉

3.3 電池制冷控制策略

（1）電子膨脹閥初始狀態為開，且開度最大為80%。

（2）電子膨脹閥開度根據電池換熱器出口過熱度，進行PID調節。

（3）電動空調壓縮機轉速根據整車控制器輸入的電池最高溫度線性變化，見表3。

表3 電動空調壓縮機轉速控制策略

參數名稱數值范圍 電池最高溫度/℃＜30[30，40]＞40 電動空調壓縮機轉速/rpm2 500[2 000,4 500]4 500

（4）當電池放電且車輛處于怠速狀態時，如果電池最高溫度≤39 ℃，電動空調壓縮機轉速由需求轉速降至2 000 rpm，處于節能低噪工作狀態。

3.4 車內和電池同時制冷控制策略

熱泵控制器依據電池最高溫度計算電池制冷需求，依據空調模式開關輸入的指令計算車內制冷需求，統籌兩者，合理分配制冷量。熱泵控制器接收空調模式開關的空調開啟指令和電子膨脹閥開啟指令，電磁閥3打開，電子膨脹閥開度和電動空調壓縮機轉速按照熱泵控制器指令實施。由于電動車存在行駛、慢充、快充三種獨立的工況，三種工況都存在熱泵空調工作的需求，因此車內制冷和電池制冷的控制策略需依據工況特點針對性設計。

3.4.1行駛工況

綜合考慮空調低噪需求和電池安全需求，實施降噪控制策略、電池制冷優先控制策略以及舒適性控制策略，三個策略之間相互關聯。

（1）降噪控制策略

（2）電池制冷優先控制策略

（3）舒適性控制策略

表4 降噪控制策略

參數名稱數值范圍 車速/（km/h）[0,5][10,15][20,25][30,35]≥40≥60 電動空調壓縮機轉速/rpm僅車內制冷，關閉電池制冷≤4 500≤5 000≤5 500依據表3邏輯執行≤7 000 電子膨脹閥開度0≤12%≤15%依據表3邏輯執行依據表3邏輯執行依據表3邏輯執行

表5 電池制冷優先控制策略

參數名稱數值范圍 電池最高溫度/℃≥40≥40≥40≤39 車速/（km/h）≥60[40,0)00 壓縮機轉速/rpm7 0005 800[5 800,1 200)0 電子膨脹閥開度50%[10%,50%][30%,0)0

電動空調壓縮機轉速和對應產生的制冷量關系見表6。

表6 電動空調壓縮機轉速和對應產生的制冷量關系

參數名稱數值范圍 壓縮機轉速/rpm[0,1 200](1 200,5 500)[5 500,5 800] 產生的制冷量/W[0,2 000](2 000,6 000）6 000

表7 舒適性控制策略

電池最高溫度/℃乘員艙制冷量需求/W電子膨脹閥開度 [38,40)(0,1 000]40% (1 000,2 000]35% (2 000,3 000]30% (3 000,4 500]25% [35，36](0,1 000]50% (1 000,2 000]40% (2 000,3 000]30% (3 000,4 500]15%

舒適性控制的原則是，當電池溫度處于適宜范圍時，則充分滿足乘員舒適性需求，通過調節電子膨脹閥開度，將電動空調壓縮機產生的制冷量，充分分配至乘員艙。因本文所述的熱泵空調系統制冷量最大值為6 000 W，因此，表7所示的舒適性控制策略適用于車內制冷量和電池制冷量之和小于6 000 W的工況。一旦出現電池溫度過高引起車內制冷和電池制冷需求之和大于6 000 W時，則進入執行電池制冷優先控制策略。

3.4.2快充工況

表8 快充工況熱泵空調控制策略

電池最高溫度/℃車內制冷量需求/W電動空調壓縮機轉速/rpm電子膨脹閥開度 ＞39 5 80050% ≥35(0,1 000](4 500，5 800)50% (1 000,2 000]40% (2 000,3 000]35% (3 000,4 500]30% ＜35(0,1 000][1 200,4 500]40% (1 000,2 000]30% (2 000,3 000]25% (3 000,4 500]20%

策略見表8，特別之處是快充時，電池溫度一般上升速度較快。如電池最高溫度＞39 ℃，即使車內需求制冷，也不響應，電動空調壓縮機轉速保持5 800 rpm運行，電池膨脹閥開度全力保障電池制冷需求，抑制快充電流大導致的電池快速溫升。

3.4.3慢充工況

策略見表9。特別當電池溫度處于26 ℃～32 ℃時，電子膨脹閥開度保持5%，起一定的抑制電池溫升作用即可。

表9 慢充工況熱泵空調控制策略

電池最高溫度/℃車內制冷量需求/W電動空調壓縮機轉速/rpm電子膨脹閥開度 ＞39 5 80050% [38,39](0,1 000](4 500，5 800)40% (1 000,2 000]38% (2 000,3 000]35% (3 000,4 500]30% [32,36](0,1 000][1 200,4 500]50% (1 000,2 000]45% (2 000,3 000]30% (3 000,500],15% [26,32) 5%

3.5 車內制熱控制策略

表10 車內制熱控制策略

環境溫度/℃熱泵系統車內制熱模式是否工作輔助PTC是否工作 ≥20否是 [7,20)以熱泵工作為主原則上不參與工作，電動空調壓縮機出現異常停機時，輔助PTC才開始工作 [-10,7）是是 ＜-10否是

熱泵空調系統制熱最佳的工作環境溫度為?10 ℃～20℃，此溫度范圍之外如還需制熱，熱泵系統車內制熱模式不工作，只由輔助PTC單獨實現制熱功能。因此，車內制熱控制策略見表10。

3.6 遠程遙控空調控制策略

（1）手機遠程遙控空調時，熱泵控制器接收到制冷開啟請求后，將會將車內溫度目標設定為23 ℃，固定值，空調系統自動運行。

（2）手機遠程遙控空調時，熱泵控制器接收到制冷關閉請求后，請求關閉電動空調壓縮機。

（3）手機遠程遙控空調時，熱泵控制器接收到制熱開啟請求后，如車外溫度≤?10 ℃，則開啟遠程空調后前15 min為除霜模式，保證用戶進入車輛后可立即行駛，15 min之后改為吹腳模式；如車外溫度>?10 ℃，設定溫度為28 ℃，自動運行。

（4）手機遠程遙控空調時，熱泵控制器接收到制熱關閉請求后，關閉 PTC和電動空調壓縮機。

4 總結

本文分析了熱泵空調系統的工作原理，基于公司某款純電動汽車，分析了熱泵空調系統在整車熱管理系統中的作用、工作模式、控制系統架構，詳細說明了以熱泵空調為中心的車內制冷、電池制冷、車內和電池同時制冷、車內制熱、遠程遙控空調的工作過程及其控制策略，展示了當下整車熱管理熱泵空調系統核心控制策略設計方案，供業內參考。

[1] 謝卓,陳江平,陳芝久.電動車熱泵空調系統的設計分析[J].汽車工程,2006(8):763-765.

[2] 劉健豪,吳兵兵,張歡歡,等.電動汽車熱泵空調系統設計及應用[J].安徽電子職業信息技術學院學報, 2016(4):7-10.

[3] 張歡歡.電動汽車熱泵空調系統技術研究[J].安徽電子職業信息技術學院學報,2017(5):22-26.

Design of PEV Heat Pump Air Conditioner System Control Strategies

ZHANG Huanhuan

( New Energy Vehicle Academy, New Energy Vehicle Group, Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230000 )

This paper analyzes the working principles of a heat pump air-conditioner system, and based on a pure electric vehicle, analyzes the functions, working modes and control system architecture of the heat pump air-conditioner system, the main working processes and control strategies of in-vehicle refrigeration, battery refrigeration, in-vehicle and battery simultaneous refrigeration, in-vehicle heating and remote air conditioner are described in details.

Electric vehicle;Thermal management system;Heat pump air conditioner system;Control strategy

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.004

U469.72;U463.85+1

A

1671-7988(2021)21-15-06

U469.72；U463.85+1

A

1671-7988(2021)21-15-06

張歡歡（1983.11—），女，碩士，江淮汽車集團股份有限公司新能源乘用車公司新能源汽車研究院副院長，負責整車系統集成及純電動車平臺產品開發工作。